淬火中残余应力的预测和机加工对残余应力的减少

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1、JournalofMaterialsProcessingTechnology174(2006)342–354淬火中残余应力的预测和冷加工对残余应力的减少摘要铝合金淬火后，开发残余应力会导致后续机加工中失真。结果会是，机加工零件可能会失去忍受性和不得不冷加工或是重新加工。残余应力的测量实验是漫长的、乏味的、和非常昂贵的，例如中子X射线衍射技术的最新发展。所以，在这项研究中，Al7050锻造块淬火以后，使用数量方法区预测残余应力，而且比较预测结果和实验结果。结果表明了预测值与实验结果有很好的一致性，最坏的情况下，偏差也只有10-15%。两种不同的冷加工（压缩和拉伸）方法常常被用来减少残余应力。结

2、果比较好显示了，压缩和拉伸工艺减少的残余应力有90%之多。可是单击压缩铝合金方法减少残余应力比其别低水平的方法更加有效和经济。也研究了弹性模的影响效果。模具偏转被发现对减少残余应力的量从90%降到70%左右。1.简介当外部力释放时，残余应力是存在于零件内部的应力系统。它的影响因素很多，如热处理【1—5】、变形过程、【6—7】、机加工【8】、焊接/加入【9】或者上面方面的组合，这样就改变着材料的形状和改善着材料的特性。当零件部件发生不均匀的塑性变形或暴露在如铸造、温暖成型、焊接和淬火过程中的不均匀温度下，会产生残余应力。一般来说，残余应力信号同有塑性应变产生的残余应力信号是相反的。如冷轧薄板，

3、在其表面形成了由冷轧在纵向方向拉长的高压应力的残余应力。去除外力后，留下了表面的压应力和薄板中心区的拉应力。重要性和相关性的测量，残余应力的预测和控制是基于它们对机加工产品的影响研究的。通过极快的减少疲劳强度，残余应力可能导致过早的实效，导致应力腐蚀或氢裂，并导致失真和微变形。另一方面，压缩残余应力可能提高组件的疲劳寿命、应力腐蚀、抗氢裂性【10—13】。所以研究调查和理解残余应力测量，它的预测和较少对于提高许多机加工零件的质量和可靠性是非常重要的。残余应力不能被直接测量【9、11、14】。通过残余宏观和微观应力导致的塑性应变的测量。实践中使用的一些测量方法是：（a）超声波方法。她是基于这样

4、一个事实，当晶体材料放在压力下，超声波速度改变了。使用合适的仪器和技术，可以测量其速度的改变。（b）使用的机械方法比其别方法使用的时间更长。有不同的方法可以达到效果，它们大多数是由去除应力材料和测量应力量的变化组成。在实际应用中最流行的技术是钻孔方法【14、15】。其别的机械方法是一出表面曾层方法和偏转方法【2、14】。（c）X射线衍射方法：当金属或陶瓷多晶材料放在压力之下，在每个材料单粒中都有塑性应变产生。应力外涂或残留在材料中，只要它是在流动应力之下，他就会被内部原子应变占去。X射线衍射技术能测量处内部原子间距，也就是样本宏观应变特性【11、14、16】。既然中子比X射线更加有渗透性，它

5、们也能被使用【7、14、16、17】。残余应力的消除能通过压缩和伸展的机械方法达到，也能如回火的热处理方法达到【3、18—21】。，也有非传统方法如脉冲磁处理【22】。基于生产和实验结果，伸展是所知的最有效的消除残余应力的方法。可是，对于非矩形和非对称零件，拉伸是不实际的，因为处理问题和非对称载荷的原因，压缩工艺经常是首选的。应用的设备，可能性德多少和成本因素决定着消除残余应力方法的选择。压缩仅适用于简单形状和平行面零件的使用。此外，工件的厚度不得不小于最大允许热处理界面的厚度。既然残余应力的实验测量是非常冗长、乏味和昂贵的，所以分析或数值方法对残余应力的预测被广泛研究。由于有限元分析方法F

6、EA的多功能性、准确性和高效率性，它被发现是可行的和低成本的，代替了其别的试验方法【7、13、24、25】。这篇文章的第一部分，有限元比利用中子衍射实验测量方法在淬火铝块中对残余应力的预测更有合理精确性。第二部分，使用有限元方法消除车间中残余应力消除中的成本和冗长，分析和改善应力消除工艺是相当复杂的。最后，提出了压缩中消除残余应力上模具或工具弹性的影响。2.淬火有限元分析淬火是一种热处理方法，一个热金属零件放在水、油或其他液体，或他们的组合中，被迅速地冷却【3—5、26】。使用有限元时铝件淬火工业的分析已经被很早的研究【7、13、24、27】。预测结果表明它同由表面移除方法测得的的残余应力的

7、实验数据有很好的吻合。淬火条件在残余应力上有主要的影响。例如在冷水上得发生的铝淬火对残余应力的影响比热水上发生的铝淬火要高50%【24、26、28】。2.1.淬火工艺条件在这项研究中，对于淬火和随后的拉伸和压缩工艺过程，进行了有限元分析。对于淬火工艺，波音公司及其供应商提供的报告文件中的实验给出了有限元条件。本文作者不涉及实验和测量，但是提供了报告中一些不能公开的部分。淬火过程中，统一铝块7050合金温度的侵